年度深空探測大戲揭幕：「新視野號」遠征冥王星（上）

迄今為止飛得最快的太空飛行器、人類發射的第一個冥王星探測器「新視野號」，經過約9年的星際旅行，於1月15日抵達距地球約47億千米的冥王星附近，開始探測冥王星、冥衛、以及它們所處的柯伊柏帶其他天體。

柯伊柏帶是1992年才發現的太陽系新大陸，雖然現在冥王星已被降級為矮行星，卻成為了數千顆冰凍小天體的「領頭羊」。

這些太陽系冷庫中的冰凍天體可能有大量的水，不同於常見的八大行星和小行星，此次任務的發現將直接改變我們對太陽系的已有認識。

鄭永春（首屆香江學者，國家天文台青年創新促進會負責人）

一說到太陽系，我們馬上想到的是太陽和八大行星。

實際上，隨著地面和空間天文觀測能力的提高，以及深空探測的進展，太陽系的邊界擴展已經到了奧爾特雲之外，與太陽的距離甚至達9.5萬億千米（1光年）左右。

不僅觀測到的天體數量大大增加，而且天體類型也從行星、小行星和彗星，到增加矮行星的分類。

對於關係人類生存延續的太陽系，我們的了解遠未清晰。

2014年歲末，各大影院正在熱播《星際穿越》，黑洞、白洞、蟲洞等天文學前沿概念被人們津津樂道，似乎人類將來有望通過蟲洞快速抵達太陽系外的宜居星球。

但實際上，星際飛行理論並沒有突破性進展，深空探測在可以預見的將來還只能局限於對太陽系內天體的探測。

在經過數周時間的準備之後，2015年1月15日，人類第一個柯伊伯帶探測器——「新視野號」將開始對冥王星及其衛星、以及其它柯伊伯帶天體進行遠距離觀測。

2015年7月14日，預計「新視野號」探測器將在這一天最接近冥王星。

冥王星的發現者湯博的一部分骨灰搭載在「新視野號」上，也將親赴現場。

圖1 冥王星降級前的太陽系九大行星

1發現太陽系裡的新大陸

當人類登陸一片全新大陸的時候，往往都會被看到的場景所震撼。

而今天，我們將登陸太陽系裡的新大陸——柯伊伯帶（Kuiper belt）。

我們的太陽系包含三個主要區域，一區為內太陽系，包括水星、金星、地球和火星，稱為類地行星，均為岩石質天體；二區為外太陽系，包括木星、土星、天王星和海王星，稱為類木行星，均為氣液態巨行星。

一區和二區之間以距離太陽2.3～3.3天文單位（1天文單位為日地平均距離，約等於1.5億千米）的小行星帶為界。

三區為海王星以遠，包括距離太陽約30～50個天文單位的柯伊伯帶。

在柯伊伯帶之外，距離太陽5～10萬天文單位還有一片由千億顆冰冷天體組成的奧爾特雲。

圖2 太陽繫結構

圖3 火星和木星軌道之間的小行星帶

需要指出的是，冥王星和柯伊伯帶的發現過程十分艱難，是象徵人類探索精神的重要事件之一。

自1846年，海王星被首次發現以來，科學家一直在努力尋找新的海外行星（即海王星外的行星）。

冥王星的質量僅有地球的0.21%，其質量不足於影響海王星的軌道，因此基本不可能根據天體力學的方法計算冥王星的軌道，大量的軌道計算後來被證明無一中的。

由於無法預測冥王星可能經過的天區，大量的實際觀測也無功而返。

直到1930年，年僅24歲的農家少年、羅威爾天文台新招聘的觀測助理湯博，在寒冷的亞利桑那州高原上經過8個月艱苦的巡天式觀測和仔細比對後（搜索會運動的天體是發現新行星的重要手段之一。

因此，需要大量比對不同時間拍攝的照片，以發現運動的天體，但變星和彗星經常干擾這種比對工作），首次發現了冥王星。

這是首次由美國天文學家利用美國的觀測設備發現的新行星，是標誌世界科學中心從歐洲大陸轉移到美國的重要事件之一，美國人對此充滿自豪，親切地稱冥王星為「美國行星」。

1978年，在冥王星的附近發現了冥衛一（卡戎，其質心實際上落在兩個天體之外，因此並非真正繞冥王星公轉。

且兩者質量相差不大，因此不能被視為冥衛，而是矮行星，與冥王星組成雙矮行星系統）。

而冥王星和卡戎所處的太陽系外緣一直被認為是空空蕩蕩的，沒有其他大型天體。

1987年，當時在麻省理工學院工作的天文學家大衛·朱維特不相信太陽系外圍居然如此空曠。

他和當時的研究生劉麗杏，經過對這一區域連續五年的觀測，終於在1992年8月30日發現除冥王星和卡戎外的第一個柯伊伯帶天體——直徑250千米的小行星15760，半年後又發現第二個天體(181708) 1993 FW，從而證實柯伊伯帶的存在。

兩人因發現柯伊伯帶天體的貢獻而獲2012年度邵逸夫天文獎。

現在我們知道，柯伊伯帶是位於海王星軌道以遠黃道面附近、散布著大量冰凍小天體的環形區域，是太陽系裡的「冷庫」。

冥王星直徑2301千米，是柯伊伯帶的主要天體，一直以來都被認為是太陽系九大行星之一。

冥王星的軌道是一個非常扁的橢圓，遠日點約為74億千米，近日點為44億千米，與太陽的平均距離約為59億千米，是日地平均距離的40倍，繞太陽一圈需要漫長的248年。

但從體積上，冥王星卻是圍繞太陽旋轉的第十大天體。

這是因為米高·布朗等三位天文學家2005年7月發現了太陽系中最大的矮行星、直徑2326±12千米的鬩神星（Eris）。

鬩神星質量約為地球質量的0.27%，比冥王星重約27%。

它距離太陽97個天文單位，公轉周期為557年，位於比柯伊伯帶更遠的太陽系離散盤，不屬於柯伊伯帶天體。

除了鬩神星，他們同時還發現了鳥神星。

2天後發現妊神星。

至此，柯伊伯帶至少有冥王星、鳥神星、妊神星三顆矮行星。

同一年，還發現了冥王星的兩顆衛星冥衛二（Nix）和冥衛三（Hydra）；2011年和2012年，先後發現冥衛四（Kerberos）和冥衛五（Styx）。

除此之外，海王星外的大型天體還包括賽德娜、小行星225088、創神星、亡神星等。

圖4 目前已知的海王星軌道之外的主要天體

圖5 冥王星和它的三顆衛星。

圖中向右分別為冥王星、冥衛一、冥衛二和冥衛三，哈勃空間望遠鏡2006年拍攝。

由於鬩神星的體積比冥王星大，曾經被考慮接納成為太陽系的第十顆行星。

現在柯伊伯帶發現的天體數量已經超過1000個，實際的天體數量可能超過十萬個，而且有一些是與冥王星大小相近的天體。

如果全部接納為行星的話，太陽系的行星家族將不斷擴大；如果不接納，天文學家就不得不對行星的定義做出明確界定。

2006年8月，國際天文聯合會第26屆大會通過第5號決議，更改了行星的定義：行星是繞恆星運轉、質量足夠大使之成球體、不是衛星的天體，必須具有清除軌道區域內大小相當天體的能力。

柯伊伯帶的這些天體雖然繞太陽運轉、體積和質量較大而成球體，也不是行星的衛星，但由於不具有清空其軌道區域的能力，不能稱為行星。

行星的定義要求其質量在其軌道區域所有天體中占絕對優勢，其清空軌道的能力和程度均比矮行星高5個數量級以上。

冥王星由此被降級為矮行星，我們從小所熟知的太陽系九大行星被改寫為八大行星。

2008年，國際天文聯合會再度將冥王星劃分為類冥矮行星。

從此，冥王星慢慢淡出公眾視線，現在冥王星的正式名稱是134340號小行星。

2「新視野號」：太陽系新大陸的探索者

坎坷成行，一旦錯失需再等百年

由於冥王星距離太陽和地球十分遙遠，要探測它既要飛行很遠的距離，又要克服寒冷而陰暗的困難，所以之前一直沒有探測器探測過。

20世紀90年代末，NASA曾制定了一個名為「冥王星-柯伊伯快車」探測計劃，原計劃2004年12月18日發射，主要目的是探測冥王星、卡戎以及其他柯伊伯帶天體。

由於研製經費超支等原因，NASA宣布取消該計劃。

消息一公布，立即遭到很多天文學家的強烈抗議。

他們四處遊說，希望再次啟動冥王星探測計劃。

美國行星學會甚至發動了「拯救冥王星計劃」的運動。

最後，NASA的官員們終於被說服，於2000年12月20日宣布重新論證冥王星計劃。

他們拒絕採用原先提出的探測方案，改而向全球公開徵集新的探測方案。

這也是NASA歷史上首次向全球公開徵集太空計劃方案。

NASA對新方案提出了兩項苛刻的要求：一是要求在2015年前抵達冥王星，二是經費必須低於5億美元。

這是因為冥王星的軌道為橢圓形，繞日運行的周期長達248年，2015年時正好是探測冥王星的絕佳時機。

一旦錯過，這種快速抵達冥王星的機會只有百年之後才有了。

而且想必官員們認為，為一個太空探測計劃等15年，已經是公眾耐心的極限了。

從宣布重新論證到最遲的發射時間，留給科學家們只有4～5年時間。

2004～2006年是發射冥王星探測器的最後機會。

為了爭分奪秒地研製探測器，NASA留給新的冥王星計劃的方案設計時間只有3個月，截止到2001年3月19日。

最終，由西南研究院和霍普金斯大學應用物理實驗室聯合團隊的設計方案脫穎而出，在諸多方案中最終獲勝，總預算為4.88億美元。

新方案能發回比原來的「冥王星-柯伊伯快車」計劃多10倍的觀測數據。

如果趕在2006年2月以前發射，可以確保在2015年夏天抵達冥王星。

2001年12月，NASA宣布重啟冥王星計劃，探測器名為「新視野號」。

「新視野號」原定美東時間2006年1月17日13時24分在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地第41發射台發射，但因地面強風和負責該項目的約翰霍普金斯大學應用物理實驗室的控制中心突然停電的原因，兩度推遲升空。

至1月19日14時，卡納維拉爾角上空雲層逐漸散去，氣候條件適合發射，「新視野號」比原定時間推遲半小時後發射升空。

45分鐘後三級火箭脫離，「新視野號」脫離地球引力，朝木星飛去。

圖6 「新視野號」由宇宙神5號火箭發射升空

到太陽系新大陸去「考古」

在「新視野號」任務論證和發射時，冥王星還被視作行星，作為太陽系中唯一沒有被太空飛行器探測過的行星，「新視野號」被賦予重要的象徵意義。

隨著天文學家在柯伊伯帶不斷獲得新的觀測發現，「新視野號」的主要任務從冥王星擴展到整個柯伊伯帶：

近距離飛越冥王星及其已知的五個衛星。

雖然，哈勃空間望遠鏡此前的觀測沒有發現冥王星有新的衛星或環帶系統，但如果它們太過暗弱，從遙遠的距離上是很難被發現的。

因此，「新視野號」將探測冥王星是否存在未被發現的衛星，調查冥王星是否擁有環帶系統，觀察冥王星表面是否存在撞擊坑或撞擊坑的多少，判斷柯伊伯帶天體相互碰撞的幾率。

考察柯伊伯帶的其他天體。

柯伊伯帶的天體自太陽系形成之初已存在，是太陽系各大行星形成後的殘渣，記錄著太陽系最初形成時的歷史，有助於理解太陽系和地球生命的起源。

如果不了解柯伊伯帶，就很難理解太陽系的起源。

對於太陽系裡的這片新大陸，「新視野號」首席科學家艾倫·斯特恩指出：「太陽系中的這一區域存在諸多謎團。

探索冥王星和柯伊伯帶就像是在太陽系新大陸進行的考古發掘工作。

通過考察可以窺探到太陽系行星形成的最初狀態。

」

十八般兵器

科學儀器是「新視野號」的「眼睛」。

「新視野號」攜帶了7台重30千克的科學儀器。

其中光學設備有3台。

分別是：遠程勘測成像儀（LORRI）、可見-紅外成像光譜儀（Ralph）、紫外成像光譜儀（Alice），分別拍攝可見光、紅外和紫外圖片。

另外4台儀器分別是：太陽風測量儀（SWAP）、無線電科學實驗儀（REX）、能量粒子譜儀（PEPSSI）、學生塵埃計數器（SDC），分別用於測量冥王星附近和表面的太陽風、大氣、能量粒子和塵埃。

圖7 「新視野號」攜帶的科學儀器示意圖

（1）可見-紅外成像光譜儀（Ralph）: 拍攝冥王星及卡戎的表面地形，提供高清晰影像照片，分析表面物理現象和物質組成，繪製地形圖，了解冥王星及卡戎的歷史。

儀器分為兩部份，一為多光譜可見光相機（MVIC），另一為紅外光譜儀（LEISA），兩者共同使用一個6厘米鏡頭，用以調校焦距，收集影像。

可見光相機使用電荷藕合裝置（CCD），是近年所有外太空探測器的標準設備。

天體目標的影像通過鏡頭後，再經過四層濾鏡，在電荷藕合器成像。

濾鏡分別包括一般用途的藍、綠、及近紅外濾鏡，以及專用於觀測甲烷的濾鏡。

紅外光譜儀測量熱輻射光譜，獲得物質組成信息。

根據哈勃望遠鏡的觀測結果，冥王星表面以甲烷、氮、一氧化碳及冰為主，而卡戎則主要由冰組成。

當探測器接近它們時，透過紅外光譜儀觀察，可能會發現更多的其他物質。

（2）遠程勘測成像儀（LORRI）: 有一個直徑20.8厘米的鏡頭，同樣以CCD成像，但沒有濾鏡和活動部件，結構比Ralph簡單得多。

目的是為探測器提供詳細的空間信息，即探測器在飛行途中的精確位置。

通過觀測特定星體，比較觀測資料，得出探測器在途中某一點的精確位置及相位，從而控制探測器進行相應的軌道調整。

當飛臨冥王星時，遠程勘測成像儀同時拍攝冥王星表面影像，解析度大致相當於標準足球場面積。

（3）紫外成像光譜儀（Alice）:測量由冥王星及卡戎輻射或反射的紫外線，獲得不同波長的圖像，研究它們的大氣成分、表面物質組成和溫度。

紫外成像光譜儀有兩種工作模式：1）氣體輝光探測模式，當探測器接近及離開冥王星時採用這種模式，目的是直接測量由冥王星及卡戎的大氣輻射或反射的紫外線，大多數時間採用這種工作模式。

2）掩星測量模式，當探測器飛越冥王星之後，進入冥王星日蝕陰影區時，即被冥王星星體遮掩太陽光的地方，通過測量透過冥王星大氣的太陽光，獲得冥王星大氣的成份、濃度和溫度分布。

（4）太陽風測量儀（SWAP）：主要用於測量冥王星附近的太陽風特性，分析從冥王星大氣中逃逸出來的物質和逃逸速率，尋找冥王星周圍的磁層。

儀器內部有一個低能等離子體探測器，測量範圍為30～7700電子伏。

（5）無線電科學實驗儀（REX）：當「新視野號」位於冥王星的背面時，地球上的控制人員開始向冥王星發射無線電波。

由於無線電信號在穿越冥王星大氣層時會產生一定的折射、畸變和時延，那些穿過冥王星大氣層的無線電波被飛船上的2.1米直徑高增益天線接收後，無線電科學實驗儀就會比較穿越冥王星大氣前後的信號特徵，分析出大氣中氣體分子的成分、密度、溫度及大氣結構，繪製冥王星大氣層從高空到表面的溫度和密度曲線。

當探測器近距離飛掠冥王星時，無線電科學實驗儀可以切換到輻射探測模式，直接測量冥王星發射的微弱的微波輻射，精確測量冥王星向陽面和背陰面之間的溫度變化。

（6）能量粒子譜儀（PEPSSI）：該儀器由帶電粒子探測器組成，可以測量質子、離子、電子等帶電粒子的成分和密度等特性。

通過探測大氣層頂部的中性粒子被太陽風激活而逃離大氣層的現象，推算大氣化學成分。

（7）學生塵埃計數器（SDC）：由科羅拉多大學的學生在專業航天人員的指導下製造的，主要用於測量整個飛行過程中星際塵埃粒子對「新視野號」的撞擊情況，包括粒子的大小、數量、撞擊飛船時的方向和飛行軌跡等。

這些塵埃粒子主要來自從彗星逃逸的物質和柯伊伯帶天體相互碰撞產生的殘片。

（未完待續，太陽系最初的秘密究竟何解？行星際超遠距離飛行有什麼要訣？《賽先生》近期將繼續奉送《年度深空探測大戲揭幕：「新視野號」遠征冥王星（下）》，敬請關注。

）

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